稀土金屬之所以稀有，不是因為它們真的稀缺，而是因為提取分離過程相當困難。從礦產開採稀土出來，必須經歷複雜的化學蒸餾條件，過程中會對附近的環境造成污染。再者，從礦石中提取稀土元素也會產生有毒和放射性的酸洗液，對公眾健康和環境都是莫大的隱憂。因此，稀土的提取分離技藝肯定是傾向更加環保安全的趨勢發展。

圖片來源：Brücke-Osteuropa,　CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>,
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聽到葡萄酒，直覺想到世界著名的葡萄酒產地法國；論及稀土，眾所皆知，中國是全球稀土第一大國、儲量產量世界第一。中國的稀土，就像是法國的葡萄樹，沒有它怎能釀得出好酒呢? 有工業維生素之稱的稀土，是鈧、釔和全部鑭系元素的總稱，也是所有高科技產品展現高性能而必須添加的原材料，更是尖端產業在國際競爭中重要的戰略性資源。

稀土元素由於化學性質極為相近，在礦物中伴生共存，而各元素優異的光、電、磁、催化的本質特性往往需要單一高純稀土才能得以充分體現，從而提取分離成為稀土材料工業的重要過程。然而，由於稀土元素的性質十分相似，造成了稀土元素分離上的困難，且隨著稀土元素應用的日益廣泛，人們對稀土產品的要求已不僅僅停留在對稀土純度的要求上，更多的是對稀土產品的物理性能以及非稀土雜質指標的要求，鋁就是被要求的非稀土雜質之一。鋁是兩性元素，它在溶液中可以以Al3+、Al(OH)2+、Al(OH)3、AlO2等多種形式存在，因此增加了其與稀土元素分離的難度。稀土與非稀土雜質分離的方法，主要有中和法、草酸鹽沉澱法、硫化物沉澱法和萃取法等。到目前為止，萃取法仍然是分離稀土元素、生產高純稀土最有效又經濟的辦法。

五礦旗下研究院

中國五礦集團有限公司 (China Minmetals Corporation) 是以往中國六大稀土集團之一[1]，也是在2021年12月23日合併成立的「中國稀土集團 (China Rare Earth Group)」的成員之一[2]。中國五礦集團有限公司 (China Minmetals Corporation)，簡稱「中國五礦」或「五礦集團」，成立於1950年，是由原中國五礦和中冶集團等兩個世界500強企業戰略重組形成的中國最大、國際化程度最高的金屬礦業企業集團，也是由中央直接管理的國有重要骨幹企業。公司總部位於北京，是以金屬、礦產品的開發、生產、貿易和綜合服務為主，旗下擁有許多子公司。

其中五礦（北京）稀土研究院有限公司 (以下稱《研究院》) 成立於2006年9月，為中國五礦旗下五礦稀土股份有限公司全資子公司。研究院致力於稀土分離過程的綠色科技研發工作，以及與稀土廢料再生處理領域相關的稀土廢料回收技術。在稀土元素分離技藝方面，先後研發了聯動萃取分離技術、皂化有機相萃取分離技術、物料聯動循環利用稀土分離技術。

《研究院》專利佈局概述

國際專利分類號IPC (International Patent Classification，簡稱IPC)[3]為階層式之分類系統，按照五個等級分類來代表不同領域之專利技術。《研究院》自2007年起開始申請專利，將《研究院》28件專利組合 (patent portfolio) 按IPC階層技術分類，發現大多屬於冶金領域中之金屬之生產或精煉或原材料之預處理 (三階IPC：C22B)。

具體而言，按四階IPC分類 (圖1)，多為C22B 3/00 (利用濕式法由礦石或精礦內提取金屬化合物)，其次為C22B 59/00 (稀土金屬之提取)；總括而言，係採用濕法冶金方式提取稀土元素。若再細分，按IPC五階分類則為C22B 3/20 (利用浸取leaching製得溶液之處理或淨化) 相關專利最多，其他則為諸如萃取槽、過濾裝置或窯等與分離相關的化學裝置。

圖1.  《研究院》主要IPC分類統計 (四階IPC)

芮嘉瑋繪製

重要專利技術解析

《研究院》所布局的專利，多攸關稀土提取分離的技術，列舉如下：

(一) 以活化、溶解製備低雜質稀土料液
萃取法雖可使Cu、Pb、Zn、Co、Ni等非稀土雜質降到10-6，但對於鋁的萃取分離還沒有成熟使用的工藝流程。習知利用萃取法去除稀土料液中的雜質鋁，主要是利用萃取劑進行萃取分離，例如環烷酸透過多級皂化、萃取、洗滌、反萃獲得鋁含量相對較低的稀土料液；但流程長，且常需結合使用價格較高的草酸，增加了生產成本；另一方面，鋁雜質尤其易於在萃取劑中富集，影響稀土的萃取分離處理能力，或產生三相物等影響分離過程的進行。

《研究院》提供一種低雜質稀土料液的製備方法[4]，該方法製備得到的稀土料液中具有含量低的鋁、鐵、鈾、釷等常見非稀土雜質，尤其是鋁的含量更低。圖2顯示該專利低雜質稀土料液的製備方法包括活化過程和溶解過程二個主要步驟：

(1)活化：向含稀土氧化物的原料中加入活化劑溶液進行稀土元素活性增強的活化反應以製得活化的漿料；

(2)溶解：將該活化的漿料與酸溶液混合，控制pH值進行溶解反應，製得低雜質稀土料液。

圖2. 低雜質稀土料液的製備方法示意圖

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活化過程是向含稀土氧化物的原料中加入一定比例的活化劑，二者在一定溫度下混合反應一段時間，對原料中的稀土氧化物進行活化，以製備出高活性稀土漿料。其中活化劑對於氧化物精礦中諸如鋁、鐵、鈾、釷等常見的非稀土雜質，基本上無任何活化作用。至於溶解過程是將已活化的漿料和一定濃度的酸液混合，高活性稀土漿料與酸液在一定溫度下進行控制pH值的溶解反應，因高活性的稀土漿料優先與酸發生反應而快速溶解，所以減少了非稀土雜質的溶出，實現稀土的選擇性溶出，從而製備出低雜質稀土料液。低雜質稀土料液中的雜質含量甚低，包括鋁的含量為1-200mg/L、鐵的含量為1-50mg/L、鈾的含量為0.01-2mg/L、釷的含量為0.01-5mg/L。最終得到的低雜質料液進入萃取環節，完成稀土元素的萃取分離。

(二) 皂化有機相萃取分離技術
硫酸稀土與皂化劑中的氨或鈉、鉀等鹼金屬離子易形成硫酸稀土複鹽沉澱，導致萃取三相物生產，損失稀土和萃取劑有機相，使得硫酸稀土溶液難於皂化酸性萃取劑體系進行分離。有鑑於此，《研究院》開發出一種皂化萃取分離硫酸稀土溶液的方法[5]，以硫酸稀土溶液為原料，採用氨水或鹼金屬溶液皂化後的萃取劑進行萃取分離。該方法係透過如圖3所示的步驟流程，包括將萃取劑與氨水或鹼金屬溶液進行皂化反應，得到皂化萃取劑；皂化萃取劑在萃取槽中與含有阻斷劑的溶液進行萃取交換，交換後的萃取劑中不含鹼金屬離子和銨離子而成為含有阻斷劑的負載萃取劑，其中該阻斷劑為Mg2+、Fe2+、Al3+中的一種或多種；向待萃取的硫酸稀土水溶液中加入阻斷劑，得到含有阻斷劑的硫酸稀土水溶液；將含有阻斷劑的負載萃取劑在萃取槽中與含有阻斷劑的硫酸稀土水溶液進行萃取交換，使溶液成為不含稀土離子的阻斷劑的水溶液；最後將稀土離子加入負載萃取劑，按照常規方法進行萃取分離。

這種硫酸稀土原料的萃取分離方法，係透過引入阻斷劑Mg2+、Fe2+或Al3+中間離子參與交換，避免皂化劑的鈉、銨等離子與硫酸稀土溶液直接接觸，解決了硫酸體系萃取分離工藝中鈉或銨離子與硫酸稀土溶液形成複鹽沉澱的問題 (如RENa(SO4)2)，同時縮短硫酸稀土溶液的分離流程，提高稀土萃取率，降低酸鹼試劑的消耗及生產成本。

圖3. 皂化萃取分離硫酸稀土溶液的方法示意圖

芮嘉瑋繪製

(三) 物料聯動循環利用的稀土分離方法
《研究院》還開發出一種物料聯動循環利用的稀土分離方法[6]，其流程(圖4)包括：將由萃取劑A與稀土皂料混合製備的負載稀土的有機相用於後續的聯動萃取分離，殘餘水相中的無機酸經萃取劑C提取濃縮後，回用於原料溶解或草酸沉澱其中的稀土後回收利用；萃取分離提純後的稀土溶液，以草酸沉澱稀土，含草酸與無機酸的沉澱母液與萃取劑B混合，提取草酸回用於稀土沉澱，殘餘無機酸直接用於洗滌、反萃工藝或經萃取劑C濃縮後用於原料溶解。該方法能使稀土分離過程中產生的中間物料，在各工藝段間聯動循環使用，避免萃取劑鹼皂化過程僅以巡迴回收利用的無機酸即可完成原料溶解和洗滌、反萃等過程，因此本發明涉及的稀土分離提純過程不消耗鹼及無機酸，也不產生含鹽廢水，成本低且實現綠色環保，是一個革新性的稀土綠色分離生產工藝。

圖4. 物料聯動循環利用的稀土分離方法流程圖

圖片來源：中國專利CN102676853B

(四) 稀土廢料再生處理
由於目前對於廢棄螢光燈中螢光粉回收循環利用的方法，多會有雜質較多或在焙燒過程會產生大量酸性廢氣而導致環境污染問題。為此，在稀土廢料再生處理方面，《研究院》開發一種稀土廢料的回收方法[7]，包括向稀土廢料中加入分解助劑和助熔劑粉末，經過600-1400℃溫度下焙燒1-6小時後，加入酸溶液進行酸溶以過濾分離酸浸液中的稀土元素和其他金屬元素，從而稀土元素和包括Al在內的有價金屬元素均留在酸浸液中，廢料中有價元素回收率高，可降低廢料處理成本，減少資源消耗，並能減少對環境的危害，最終產品還能循環利用。

結語：稀土提取分離傾向更加環保

稀土金屬之所以稀有，不是因為它們真的稀缺，而是因為提取分離過程相當困難。從礦產開採稀土出來，必須經歷複雜的化學蒸餾條件，過程中會對附近的環境造成污染。再者，從礦石中提取稀土元素也會產生有毒和放射性的酸洗液，對公眾健康和環境都是莫大的隱憂。因此，稀土的提取分離技藝肯定是傾向更加環保安全的趨勢發展。

美國賓州州立大學 (PSU) 與美國勞倫斯利佛摩國家實驗室 (LLNL) 團隊即開發出一種利用蛋白提取稀土元素的方法[8]，係仰賴一種稱為LanM (lanmodulin)的細菌蛋白，用以提高稀土金屬提取與分離過程的效率，同時減輕環境負擔。此外，由於稀土是生產智慧型手機必備的關鍵材料，在滿足世界追逐科技慾望的同時，更應該極力避免國家地土及其所居住的環境，承受排放有毒化學物質等環境污染的代價；劍橋大學研究團隊為此發現一種環保安全的方法來提取稀土元素，進而保護地球，也是其中一例[9]。

備註：

【本文僅反映專家作者意見，不代表本報立場。】

作者： 芮嘉瑋 現任： 中技社能源暨產業研究中心組長 學歷： 國立清華大學 奈米工程與微系統研究所 博士 中原大學 財經法律研究所 碩士 國立台灣科技大學 材料科學與工程研究所 碩士 經歷： 工研院技術移轉與法律中心執行長室 工研院電子與光電研究所專利副主委 光電產業智權經理 專長： 長期從事產業研究、專利智財與投資評估等工作，專注於能源、產業、環境、經濟等議題。擅長創新技術策略分析、科技預測及評估、專利分析與布局、產業分析、智慧財產權管理與經營策略、專利的商業化與貨幣化。熟捻產業技術發展趨勢，並常在各媒體平台發表文章、應邀演講，成功引領技術前瞻與產業關鍵議題。

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